3D打印技術在自制教具中的應用

楊薈民

摘? ?要：教師在自制教具的過程實際上就是對教學進行研究的過程，在這個過程中，教師利用3D One軟件繪制及3D打印機打印的部件與常規的材料進行整合不僅提升了教師的思維能力、創造能力、教學能力等個人素質，豐富了教學經驗，同時激發了學生的學習興趣使課堂教學更高效且增加了教具資源。

關鍵字：3D打印；自制教具；實驗；教學效果

3D打印技術是通過電腦用3D One軟件繪制模型以數字模型文件為基礎利用3D打印機運用材料逐層堆積來實現構造物體的技術。而物理就是“對物論理”，把實驗作為基礎研究物質結構和運動規律的應用科學。把3D打印技術融入物理實驗教學的自制教具中不僅創新了教育教學而且增加了課程資源。

下面就以高中物理課本必修第一冊第5章第4節“牛頓第三運動定律”講作用力與反作用力的關系和選擇性必修第一冊第1章第2節“動量守恒定律及其應用”中講到反沖運動時都可以用到的一個自制實驗儀器取名“螺旋槳”（如圖1所示）為例，實現利用3D打印技術繪制打印的部件融入物理自制教具中。

1? 利用3D One軟件繪制自制教具的部件模型

為了教具的整合，自制實驗儀器“螺旋槳”其中有兩個部件R300電機外殼和滑片支桿是利用3D打印機打印出來的，因此先要把這兩個部件都先利用3D One軟件繪制出來。

1.1? 繪制R300電機的外殼

因為這個自制教具有用到R300微型直流電機，分三個步驟繪制一個R300電機的外殼，目的是能把電機固定在這個殼里。打開電腦，雙擊打開桌面3D One軟件圖標，新建文件，取名為“R300電機外殼”。外殼從底部到頂部共有兩層，首先畫底部第一層方形底座，其次畫第二層圓套，最后把這兩層組合起來即可。

（1）底座

{1}在坐標網格上面作圖。在命令工具欄中選基本實體中的六面體命令，鼠標移動到工作區，單擊左鍵選擇六面體放置的位置設置其長、寬、高的數值，“動態拾取”坐標（0，100，0），然后點擊確定，這樣一個50×13×3 mm3的長方體就畫好了。

{2}畫底座左右兩端的圓孔。在命令工具欄中選草圖繪制中的圓形命令，設置圓心坐標（-20，100）直徑為4 mm；在特征造型中選擇拉伸命令，跳出一個小窗口，先選中圓形，在小窗口中布爾運算選擇減運算，拉伸類型“1邊”，點確定完成拉伸，就在底座的左端出現了一個小孔。同理：在六面體上坐標為（20，100）的位置繪制圓形的圓心，直徑也為4 mm，拉伸，選中圓形，點減運算，點確定就把底座右端的圓孔畫好了。

{3}畫底座中段的凹槽。草圖繪制中選矩形命令，在底座中段畫一個長4 mm、寬3 mm的長方形；特征造型中選擇拉伸命令，選中矩形，在小窗口的布爾運算選擇減運算，拉伸類型“1邊”，點確定就出現一個矩形的凹槽。

（2）圓套

確定之后，繪制第二層。在長方體底座上表面繪制一個固定直流電機的圓套。

{1}在命令工具欄中選基本實體中的圓柱體命令，把其中心坐標定在（0，0），按照R300電機的外觀尺把圓柱的底面直徑設置為28.5 mm、高為13 mm。

{2}選擇特殊功能命令組下的抽殼命令，對圓柱體進行處理。選擇抽殼命令，在彈出的對話框中，造型選擇圓柱體，厚度選擇-2，開放面為圓柱體的上表面，然后點擊確定，完成抽殼。

{3}繪制圓套背面的三個圓孔。在草圖繪制中選中圓形命令，令其圓心為（0，0），直徑為6.5 mm；然后在特征造型中點擊拉伸命令，選中圓形，在跳出的小窗口中布爾運算選擇減運算，拉伸類型“1邊”，然后點擊確定，就把圓套背面中心稍大的孔畫好了。同理再畫這個孔上下的兩個小孔：在坐標（-8.25，0）和（8.25，0）的位置畫兩個直徑為1.7 mm的圓，在特征造型中選拉伸對圓做減運算，點確定就出現兩個直徑為1.7 mm的小孔。

{4}在圓套側面挖一個矩形的凹槽與底座的矩形凹槽一樣大。注意圓套側面凹槽的位置應該在其背面三個孔共同所在的軸線上。在草圖繪制中選中矩形命令，通過移動鼠標將坐標移到圓套的左側在坐標點1（-1.5，2.5）、點2（1.5，6.5）畫一個長4 mm、寬3 mm的矩形，通過特征造型選擇拉伸命令，選中小矩形，選減運算，方向（1，0，0），使得左側開了一個長4 mm、寬3 mm的矩形凹槽。

（3）組合

R300電機外殼的兩層都畫好了，為了讓兩層形成一個整體，接下來要把它們組合在一起。

{1}在命令工具欄中選基本編輯點擊移動選擇動態移動讓六面體和圓柱體移成相切，各自的凹槽重疊在一起。

{2}點擊命令工具欄中的組合編輯命令，在彈出的對話框中布爾運算選擇加運算，設置基體為六面體底座、合并體為挖空的圓柱體圓套、邊界是圓柱體外邊，點確定即完成利用3D One軟件繪制R300電機的外殼。整體效果如圖2。

1.2? 繪制滑片支桿

滑片支桿是卡在鋁合金橫桿的中間，其作用是為了通過移動它找到橫桿在水平面的平衡位置又可以把組裝好的整個實驗裝置放在針形支架上使裝置可以繞著支架轉動起來。用3D One軟件分三個步驟繪制一個滑片支桿，如圖3所示，它也是有兩層。雙擊打開桌面3D One軟件圖標，新建文件，取名為“滑片支桿”。

（1）下層大長方體

{1}先畫一個長方體。在命令工具欄中選基本實體中的六面體命令，把鼠標移動到坐標網格上畫一個長、寬、高尺寸為60×16×4 mm3的長方體，點擊確定后這個長方體積木就畫好了。

{2}再畫滑片支桿放在針形支架上對應的小孔槽。在命令工具欄中選草圖繪制中選圓形命令，通過轉動視圖導航器，翻轉長方體選擇其下表面為坐標面，在其中心位置畫一個直徑為1 mm的圓形。在特征造型中選擇拉伸命令，選中圓形，在小窗口的布爾運算選擇減運算，拉伸值填-5 mm表示向內摳了5 mm深，點確定后就在長方體下表面出現一個直徑為1 mm、深5 mm的小孔槽。

（2）上層三個小長方體

{1}在命令工具欄中選草圖繪制中的矩形命令，先把坐標網格選在剛畫的長方體的上表面，畫兩個長、寬為60×3 mm2和一個長、寬為60×8 mm2的長方形。

{2}在命令工具欄中選基本編輯中的移動命令，把剛畫的三個小長方形分別移動到大長方體上表面的規定位置。

{3}在特征造型中點擊拉伸，分別拉伸：選中兩個長、寬為60×3 mm2的長方形向上拉伸5 mm；選中長、寬為60×8 mm2稍大的長方形向上拉伸4 mm。

（3）組合

點擊命令工具欄中的組合編輯命令選擇加運算，設置基體為下層的大長方體、合并體為上層拉伸的三個小長方體、邊界是長方體外邊，點確定即完成利用3D One軟件繪制的支架。

利用3D One軟件來繪制滑片支桿是很科學的，因為在之前我還嘗試了其他方式，效果都沒有這個滑片支桿來得好，所以最終選擇利用3D打印技術來實現。

2? 3D打印繪制的部件與常規材料進行整合

2.1? 利用3D打印機打印部件

想要利用3D打印機把繪制好的部件模型打印出來還需要做一些前期的準備處理工作。首先，在電腦桌面上雙擊打開已經用3D One軟件繪制好的部件設計圖，點擊3D One軟件界面的菜單欄把設計圖另存為擴展名為STL的文件，這樣做的目的是因為3D打印機和設計軟件之間是以STL文件格式為協作標準的。接著，要將另存為STL文件的設計圖進行切片處理，即把繪制好的模型分成厚度均勻的很多層，3D打印機的路徑就是按這個分好的層一層一層地打印，如果我們想打印出來的實體精度高一些就把層的厚度分得小一些，所以分成的厚度決定了打印機打印的精度。雙擊打開切片軟件Cura，打印機選用的是極光爾沃A6桌面級3D打印機這個型號及其耗材使用的是PLA，在打開的切片軟件的小窗口中找到快速工具欄點擊導入模型按鈕導入剛另存為STL的文件進行切片的模型，設置好左側參數欄的各種參數后點擊切片按鈕（如圖4所示），這個切片軟件就會自動計算數據，使3D打印機最終獲得一個可以識別的G代碼文件；導出G代碼，即把導出切片好的模型文件保存到電腦或SD卡中，注意保存Gcode代碼的文件名不可是中文可以是任意的字母或者數字。最后，聯機打印時，將切片文件數據傳輸到打印機上，通過打印機上的觸屏選擇要打印的G代碼文件。

從上面的表述可以看出，使用3D打印機時并不像使用普通的文本文件打印機那樣只需要將文本文件雙擊打開點擊打印就可以直接打印出想要的當前文本，而3D打印機在打印之前要做一系列復雜的準備處理工作后才能打印出需要的實體。

2.2? 教具整合

根據自制教具“螺旋槳”的結構特點選擇只需要能驅動小扇葉的R300微型直流電動機，同時想要把電機固定在事先購買的鋁合金橫桿的一端，但電機外觀較光滑，沒有辦法直接固定在鋁合金桿上，同時因為不想用熱熔膠來固定，雖然熱熔膠在使用的時候很方便但是不美觀且不耐用，為了自制教具的美觀耐用，最后還是決定用螺絲、螺母把電機固定在桿上，這時就利用3D打印機打印出來的外殼套在R300電機外，就可以把外殼底座左右兩端的圓孔與在鋁合金桿上開的孔對齊用螺絲、螺母固定在桿上。電機需要使用電池供電，就在桿的另一端拿實驗室現成的電池盒也用螺絲、螺母同樣固定在桿上，如圖5所示。在桿的中段還有一個用3D打印機打印的滑片支桿卡在桿的凹槽中間，其作用是通過移動滑片支桿找到桿在水平面的平衡位置后可以把整個鋁合金桿架在針尖支架上，還可以把電機和電池之間的連接線卡在鋁合金桿的凹槽里。教具整合后的整體效果就是圖1。

3? 自制教具在中學物理中的作用

3.1? 培養教師素質，豐富教學經驗

自制教具的成功誕生，是教師智慧和汗水的結晶，即要求教師要有較高的知識水平，在經過好幾年教學經驗的積累對教材和課程標準及課程方案有較深刻的領會，又要具有很好的動手能力。自制教具的過程中，教師要先弄懂教材的內容，在剖析書本知識的時候出現一種頓悟可以改進或創新某種教具的大概樣子，根據頓悟出的教具輪廓在設計、研究、實驗的基礎上去制作出教具的初樣。經過多次的實際操作，改進操作過程中不方便、不合理的地方，這一過程需要教師反復觀察和思考，直到出現最優方案，最后拿到教學中去用才能得心應手。教師用心去制作教具的過程，專業知識得到檢驗，思想和意志得到考驗，能力得到鍛煉，教師應有的素質得到了培養同時豐富了教學經驗。

3.2? 激發學生興趣，提高課堂效率

物理學科是以實驗作為基礎研究物質結構和運動規律的學科，教師自制的教具能夠給學生帶來親切的感覺還會讓他們從心里佩服和喜歡自己的老師，從而充分調動學生的內驅力更有助于學生對實驗現象的觀察。教師在教學的過程中通過實驗教具的展示、現象的分析，讓學生將實際情境轉化為物理基本模型，不僅強化建模的意識以及提升建模的能力，更重要的是在這個過程中學生全程積極參與從而激發了他們的學習興趣；通過觀察教具展示的現象而對流露出的問題的討論與交流，培養學生具體問題具體分析的能力，培養實事求是的精神的同時提高了課堂的效率。教師通過演示自制教具能夠把高中階段抽象、單調、乏味的物理知識在學生的腦海里加深印象，有效地促進了教與學的和諧發展。

3.3? 減少成本，擴展現有教具的種類和規模

自制教具一般都是教師利用身邊現成的容易進行加工的材料加上使用具有科技含量的技術制作成教學上有用的教具，因此自制教具的成本一般都比較低，最大的優點就是減少了成本節約了資金。自制教具通常都是教師在備課階段對課本內容進行處理時對產生的想法進行設計實施的體現，為的是使書本所涉及的概念和規律變得更直觀，都是很有針對性的，教師在把教具做好后是能夠保存在實驗室并長期供大家使用的，這樣就豐富了教學儀器和教具資源。

總之，利用3D技術繪制打印的部件融入自制教具中體現教師掌握了更有科技含量的技術使對教具部件形狀大小的選取更自由。在自制教具的過程中也使教師的各種業務水平得到提高，自制教具從無到有、從有到優、從優到精的創新過程，通過言傳身教影響著學生。《普通高中物理課堂標準解讀》中提到“強調物理實驗和科學實踐”，為了加強對學生的物理學科核心素養的培養，本次修訂加強了物理實驗內容，可見實驗在物理教學中的重要性，這就要求學校有大量的實驗儀器來滿足新課標的裝備標準。教師把3D技術融入物理實驗教學的自制教具中不僅豐富了教學資源而且創新了教育教學。